本實(shí)用新型涉及一種械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人逐漸取代單調(diào)、重復(fù)性高、危險(xiǎn)性強(qiáng)的工作之時，協(xié)作機(jī)器人慢慢滲入各個工業(yè)領(lǐng)域，與人共同工作。協(xié)作機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人中的輕型機(jī)器人，以往工業(yè)機(jī)器人是以機(jī)械代替人工并且降低人力成本，而協(xié)作機(jī)器人主要是協(xié)助人類并且與人類一同作業(yè)，且不需要使用安全圍欄進(jìn)行隔離，解決了人類較難以達(dá)成的精確度或讓人類遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的環(huán)境和工作。協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)作為協(xié)作機(jī)器人的核心組成部件，它的性能在整個協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動過程中顯得至關(guān)重要。其主要特點(diǎn)有模塊化、柔性化、集成化、靈巧、安全和可負(fù)擔(dān)。想比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較單一、固定、笨重，此種協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)采用模塊化理念設(shè)計(jì)，各關(guān)節(jié)之間具有可替換性，可通過自由組合組成4～7自由度機(jī)械臂，其結(jié)構(gòu)更加多元化、更加靈巧，適應(yīng)更多復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。目前全球協(xié)作機(jī)器人代表主要有ABB、庫卡、UR等。

專利(CN201510181154.X)描述一種可變自由度的模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)，如圖1所示。其原理為：所述剎車裝置4安裝于后端蓋305上，包括電磁鐵401、剎車擋片402、定位卡環(huán)403與三波峰墊片404。其中，電磁鐵401通過L型支架安裝在后端蓋305外緣處，定位卡環(huán)403與三波峰墊圈404均為2個，剎車擋片402為1個，采用周向上具有四個限位檔桿的十字形結(jié)構(gòu)。2個三波峰墊圈 404與剎車擋片402按照定位卡環(huán)403-三波峰墊圈404-剎車擋片402-三波峰墊圈404-定位卡環(huán)403的順序套在中空軸303上，如圖5所示，且在靠近中空軸303軸端的三波峰墊圈404與定位卡環(huán)403間還設(shè)置有遮擋片405，對2個定位卡環(huán)間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮擋。其中，2個定位卡環(huán)403固定于中空軸303周向上設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)，且將2個三波峰墊圈404與1個剎車擋片402三者間壓緊固定。由此通過剎車裝置4可保證在本實(shí)用新型機(jī)械臂關(guān)節(jié)在未上電或者發(fā)生突發(fā)狀況時，能夠緊急通過機(jī)械方式制動從而保證人身安全的裝置。正常工作時，電磁鐵401上電吸合，剎車擋片402可以自由旋轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)生故障掉電時，電磁鐵401釋放，至剎車擋片的限位檔桿與電磁鐵桿接觸后，受電磁鐵桿阻擋，進(jìn)而將剎車擋片402鎖死，使其不能自由轉(zhuǎn)動，從而使中空軸303停轉(zhuǎn)，達(dá)到剎車的目的。因剎車原理是通過通斷電時電磁推桿伸縮來阻擋剎車擋片達(dá)到剎車的功能，制動時電磁推桿發(fā)熱量大，對電磁推桿的動態(tài)響應(yīng)要求很高，容易出現(xiàn)推桿在剎車擋片正上方現(xiàn)象，推桿縮回時，剎車擋片未能及時制動，還需繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度才可以制動。且制動力主要由電磁鐵桿和剎車擋片強(qiáng)度決定，制動力受限。對電磁推桿的推桿強(qiáng)度有一定要求，在制動力較大時，推桿容易折彎或者折斷。此制動原理，是用電磁鐵鐵桿與剎車擋片接觸，達(dá)到制動功能。制動位置不是360°全方向的，有很大的間隙。

另外，無力反饋功能或者通過電流監(jiān)測方式反饋力矩，作為協(xié)作機(jī)器人不需要使用安全圍欄進(jìn)行隔離，所以對其力反饋敏感度、精度都有很高的要求。在現(xiàn)有的產(chǎn)品技術(shù)中，鮮有成熟方案。

有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種關(guān)節(jié)位置制動精度足、制動力足以及力反饋靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊的協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)。

本實(shí)用新型的協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)殼體以及置于其內(nèi)的中空電機(jī)、諧波減速器、輸入軸、輸出軸、力矩傳感器、制動器、絕對值編碼器、驅(qū)動器，所述諧波減速器、中空電機(jī)、制動器、絕對值編碼器與驅(qū)動器依次串聯(lián)在所述輸入軸上，其中

-所述關(guān)節(jié)殼體內(nèi)設(shè)有支撐輸入軸的前法蘭和后法蘭，輸入軸與前法蘭和后法蘭之間通過滾動軸承連接；

-所述中空電機(jī)的定子與關(guān)節(jié)殼體連接、轉(zhuǎn)子與輸入軸連接；

-所述諧波減速器的輸入端與輸入軸連接、輸出端與輸出軸連接；

-所述輸出軸連接諧波減速器的一端連接所述力矩傳感器、另一端通過滑動軸承與所述輸入軸連接；

-所述制動器為電磁制動器，包括制動器磁軛、彈簧片、銜鐵、法蘭，其中制動器磁軛安裝在所述后法蘭上，彈簧片、銜鐵通過法蘭與所述輸入軸連接；

-所述絕對值編碼器的內(nèi)圈與所述輸入軸連接、外圈安裝在所述后法蘭上；

-所述驅(qū)動器安裝在所述后法蘭上，用于對所述中空電機(jī)、制動器、絕對值編碼器、力矩傳感器供電，并對所述中空電機(jī)與制動器進(jìn)行控制，同時對絕對值編碼器與力矩傳感器進(jìn)行信號處理。

進(jìn)一步的，所述輸入軸上還設(shè)有與所述中空電機(jī)配合的霍爾傳感器。

進(jìn)一步的，所述前法蘭與所述輸入軸之間還設(shè)有密封裝置。

進(jìn)一步的，所述關(guān)節(jié)殼體側(cè)壁上設(shè)有用于連接所述關(guān)節(jié)的輸出法蘭。

進(jìn)一步的，所述關(guān)節(jié)殼體遠(yuǎn)離所述力矩傳感器的端部上設(shè)有后蓋。

進(jìn)一步的，所述力矩傳感器為應(yīng)變梁法蘭式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)圈固定螺釘孔與外圈法蘭固定螺釘孔之間均勻分布四個應(yīng)變片傳感器。

進(jìn)一步的，所述關(guān)節(jié)殼體、中空電機(jī)、諧波減速器、制動器、編碼器、驅(qū)動器為中孔結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述輸入軸與輸出軸均為空心軸。

借由上述方案，本實(shí)用新型至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、使用電磁制動器，利用通、斷電產(chǎn)生的磁力，彈簧片被吸合和開合，利用摩擦產(chǎn)生的力矩鎖死輸入軸，達(dá)到制動的效果，制動力大，無制動背隙，可360°全角度位置制動，制動響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便；

2、在輸出軸的末端連接用于與下一關(guān)節(jié)輸出法蘭連接的力矩傳感器，時刻反饋關(guān)節(jié)負(fù)載力矩，結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，反饋靈敏，提高協(xié)作機(jī)器人安全防護(hù)性能；

3、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)為模塊化串聯(lián)結(jié)構(gòu)，緊湊、靈巧、可靠性好，可自由拓展，組合成4～7自由度機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)更加靈活，更加適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境需求；

4、將力矩傳感器、諧波減速器、中空電機(jī)、制動器、編碼器、驅(qū)動器依次串聯(lián)，采用中空走線布置，極大限度的減小外徑尺寸和長度尺寸，在應(yīng)用中更加靈巧，更能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型的剖視圖；

圖4是是本實(shí)用新型中關(guān)節(jié)殼體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型中后蓋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型中后法蘭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本實(shí)用新型中前法蘭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本實(shí)用新型中力矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本實(shí)用新型中輸出軸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本實(shí)用新型中輸入軸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是3個關(guān)節(jié)拼接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。

參見圖2至圖10，本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例所述的一種協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)殼體2以及置于其內(nèi)的中空電機(jī)1、諧波減速器4、輸入軸18、輸出軸8、力矩傳感器5、制動器17、絕對值編碼器15、驅(qū)動器14，且諧波減速器4、中空電機(jī)1、制動器17、絕對值編碼器15與驅(qū)動器14依次串聯(lián)在輸入軸18上。其中關(guān)節(jié)殼體2內(nèi)設(shè)有支撐輸入軸18的前法蘭3和后法蘭11，輸入軸18與前法蘭3和后法蘭11之間通過滾動軸承6、12連接；中空電機(jī)1的定子與關(guān)節(jié)殼體2連接、轉(zhuǎn)子與輸入軸18連接；諧波減速器4的輸入端與輸入軸18連接、輸出端與輸出軸8連接；輸出軸8連接諧波減速器4的一端連接力矩傳感器5、另一端通過滑動軸承13與輸入軸18連接；制動器17為電磁制動器，包括制動器磁軛、彈簧片、銜鐵、法蘭，其中制動器磁軛安裝在后法蘭 11上，彈簧片、銜鐵通過法蘭與輸入軸18連接；絕對值編碼器15的內(nèi)圈與輸入軸18連接、外圈安裝在后法蘭11上；驅(qū)動器14安裝在后法蘭11上，用于對中空電機(jī)1、制動器17、絕對值編碼器15、力矩傳感器5供電，并對中空電機(jī)1與制動器17進(jìn)行控制，同時對絕對值編碼器15與力矩傳感器5進(jìn)行信號處理。

為進(jìn)一步提高響應(yīng)靈敏度，本實(shí)用新型的輸入軸18上還設(shè)有與中空電機(jī)1配合的霍爾傳感器9。

為提高本實(shí)用新型的串聯(lián)關(guān)節(jié)的使用壽命，本實(shí)用新型在前法蘭3與輸入軸18之間還設(shè)有密封裝置7。

為使得本實(shí)用新型的串聯(lián)關(guān)節(jié)可自由拓展，組合成多個自由度機(jī)械臂，本實(shí)用新型在關(guān)節(jié)殼體2側(cè)壁上設(shè)有用于連接下一個關(guān)節(jié)的輸出法蘭10。

為使得本實(shí)用新型的關(guān)節(jié)外觀更加美觀，本實(shí)用新型在關(guān)節(jié)殼體2遠(yuǎn)離力矩傳感器5的端部上設(shè)有后蓋16。

本實(shí)用新型由中空電機(jī)1提供驅(qū)動力，輸入軸18連接諧波減速器4，經(jīng)過諧波減速器4減速后，通過輸出軸8、力矩傳感器5輸出到下一個關(guān)節(jié)。整體關(guān)節(jié)位置信息、速度信息、精度由絕對值編碼器15反饋。整體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)前端設(shè)計(jì)力矩傳感器5，具有力反饋功能，反饋關(guān)節(jié)扭矩大小，力反饋性能靈敏且精度高，充分保證了關(guān)節(jié)使用過程中的安全性。當(dāng)關(guān)節(jié)停止或者遇到緊急情況時，電磁制動器17提供保持和剎車功能。

本實(shí)用新型的協(xié)作機(jī)器人模塊化串聯(lián)關(guān)節(jié)，采用模塊化設(shè)計(jì)，串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將中空電機(jī)1、諧波減速器4、制動器17、絕對值編碼器15、驅(qū)動器14串聯(lián)，使用中孔內(nèi)部走線的結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量更輕、性能更加穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展性更好。

本實(shí)用新型通過將中空電機(jī)1的定子與關(guān)節(jié)殼體2固定、轉(zhuǎn)子與輸入軸18固定，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出力矩大，動態(tài)響應(yīng)高；輸入軸18與諧波減速器4輸入端相連，經(jīng)過減速后輸出到輸出軸8，輸出軸8上安裝力矩傳感器5，力矩傳感器5與輸下一關(guān)節(jié)輸出法蘭連接，時刻反饋關(guān)節(jié)負(fù)載力矩，結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，反饋靈敏。當(dāng)遇到超載或者緊急情況，驅(qū)動器發(fā)送信號緊急制動，提高協(xié)作機(jī)器人安全防護(hù)性能。

制動器17在中空電機(jī)1工作時通電時，制動器17的彈簧卡片吸合，輸入軸18自由轉(zhuǎn)動，斷電時，制動器17的彈簧卡片壓合，提供制動保持力，輸入軸18鎖死，使得法蘭和輸入軸18產(chǎn)生摩擦力矩，輸入軸18不可以自由轉(zhuǎn)動，達(dá)到制動的功能。

本實(shí)用新型中絕對值編碼器15為中空磁編碼器，輸出信號為A、B、Z差分信號，具有一個絕對位置，用于反饋輸出軸8的速度信息與位置信息，絕對值編碼器15內(nèi)圈與輸入軸18連接，外圈固定安裝在后法蘭11上。

本實(shí)用新型中驅(qū)動器14為伺服驅(qū)動集成電路，內(nèi)置于關(guān)節(jié)殼體2內(nèi)，通過螺釘安裝在后法蘭11和后蓋16之間，用來供電和信號數(shù)據(jù)處理，分別對中空電機(jī)1供電、制動器17供電、絕對值編碼器15供電、力矩傳感器5供電，及控制中空1電機(jī)與制動器17并對絕對值編碼器15與力矩傳感器5進(jìn)行信號處理。

本實(shí)用新型中空電機(jī)1為大中空軸電機(jī)，諧波減速器4中孔為中空結(jié)構(gòu)，制動器17、絕對值編碼器15及驅(qū)動器14為中孔結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)內(nèi)部走線可通過關(guān)節(jié)內(nèi)中孔，避免了關(guān)節(jié)外部接線問題，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，外觀更加美觀。

上述諧波減速器4為超薄型形狀、中空結(jié)構(gòu)，具有緊湊簡潔、高轉(zhuǎn)矩容量、高剛性、無齒隙以及優(yōu)良的定位精度和旋轉(zhuǎn)精度有點(diǎn)。諧波減速器的剛輪通過 螺釘固定于關(guān)節(jié)殼體上，波發(fā)生器通過螺釘連接輸入軸，柔輪輸出，通過螺釘和輸出軸連接，諧波減速器將高速轉(zhuǎn)動的中空電機(jī)1的輸入軸減速后輸出到輸出軸。

上述力矩傳感器5為應(yīng)變梁法蘭式結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈固定螺釘孔與外圈法蘭固定螺釘孔之間均勻分布四個應(yīng)變片傳感器，通過應(yīng)變片傳感器檢測應(yīng)變變形，反饋關(guān)節(jié)扭矩大小，經(jīng)過驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷狀態(tài)是否安全。

上述制動器為電磁制動器，通電時，其法蘭可自由轉(zhuǎn)動，斷電時，法蘭在彈簧片的壓力下，摩擦力矩變大，法蘭被固定，不可以轉(zhuǎn)動。當(dāng)斷電或緊急制動時，輸入軸18在電磁制動器的作用下，不可自由轉(zhuǎn)動；當(dāng)通電時，輸入軸可自由轉(zhuǎn)動。此電磁制動器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，性能可靠，成本低，壽命長。

上述絕對值編碼器15為多圈絕對值編碼器，由機(jī)械位置決定的每一個位置都是唯一的，它無需記憶，無需找到參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。因此，該絕對值編碼器的抗干擾性、數(shù)據(jù)可靠性較高。

上述中空電機(jī)1為大中孔電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子通過環(huán)氧膠與關(guān)節(jié)殼體粘結(jié)，轉(zhuǎn)子通過環(huán)氧膠與輸入軸粘結(jié)。該中孔結(jié)構(gòu)方式可進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)部中孔走線，解決了走線問題。此電機(jī)負(fù)載密度與重量比較大，結(jié)構(gòu)緊湊。且該中空電機(jī)配有霍爾傳感器，減少了成本，而且結(jié)構(gòu)更加緊湊。

上述輸出軸8為空心軸，用于傳遞輸出力，通過螺釘與諧波減速器輸出端連接，輸出驅(qū)動力，空心走線。

上述輸入軸18為空心軸，通過環(huán)氧膠與電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，輸入軸前段通過螺釘與諧波減速器波發(fā)生器連接，傳遞動力，末端連接絕對值編碼器，反饋位置信息、速度信息。

上述密封裝置7為骨架式密封結(jié)構(gòu)，密封性好，使用壽命長，成本低。安裝于前法蘭和輸入軸之間。

本實(shí)用新型的關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)靈巧、模塊化、集成化，關(guān)節(jié)與外部連接結(jié)構(gòu)有輸出端和輸入端，輸入端為力矩傳感器5的法蘭盤，連接下一關(guān)節(jié)，提供動力輸出，輸出端為輸出法蘭10，連接上一關(guān)節(jié)?？赏ㄟ^多組關(guān)節(jié)和連桿，組成不同自由度協(xié)作機(jī)器人，如圖11所示。

可見，本實(shí)用新型采用模塊化串聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、靈巧，解決了協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)笨重、互換性不好、集成度不高、結(jié)構(gòu)不夠緊湊等問題；通過采用電磁制動器，解決制動響應(yīng)慢、發(fā)熱量大、制動位置保持精度不足、制動力不足問題；通過在關(guān)節(jié)末端設(shè)計(jì)力矩傳感器，解決力反饋精度不足、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。因此，本實(shí)用新型的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本低，安全可靠性更高，靈巧，模塊化，集成化；制動結(jié)構(gòu)簡易，便于安裝，制動性能可靠，穩(wěn)定；力反饋系統(tǒng)性能靈敏、穩(wěn)定、可靠性高；另外，走線布置采用中孔走線，使得布線更加合理、走線更加方便。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本實(shí)用新型，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。